田永華

（中冶焦耐（大連）工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000）

一、研究背景

我國是能源消費大國，近年來，隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速增長，能源需求不斷增加。鋼鐵工業(yè)是高能耗行業(yè)，在國民經(jīng)濟總能耗中占很大比重。鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的富余煤氣，包括高爐煤氣、焦爐煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣，其中高爐煤氣含有有毒成份而且熱值較低，但產(chǎn)量極大，如果能合理利用可以為鋼鐵企業(yè)節(jié)約能源，降低能耗；大量放散則會造成極大的能源浪費，還會嚴重污染環(huán)境。

鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的富余煤氣，傳統(tǒng)的作法是將這些富余煤氣排放到大氣閃燒或者將其送入鍋爐進行燃燒產(chǎn)生蒸汽，用于供熱或驅(qū)動汽輪機發(fā)電。煤氣燃燒產(chǎn)生蒸汽帶動蒸汽輪機發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換率低，投資相對較大，水消耗量較大，效率低，富余煤氣所含的能量不能獲得充分利用，而且對環(huán)境產(chǎn)生有害的影響。

隨著燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展，人們找到了有效解決這個問題的方法。以燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)去利用富余煤氣，可回收低熱值煤氣用于發(fā)電、供熱，且熱電轉(zhuǎn)換效率可達到40%～58%以上，同時還可減少NOx的排放量，為鋼鐵企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，因此研究鋼鐵企業(yè)燃用低熱值煤氣燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置有著廣闊的前景，同時也有著重大的能源戰(zhàn)備意義。

二、技術(shù)原理及設(shè)備組成

CCPP（Combined Cycle Power Plant）即燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。聯(lián)合循環(huán)是把兩個使用不同工質(zhì)的獨立的動力循環(huán)，通過能量交換聯(lián)合在一起的循環(huán)。

鋼鐵企業(yè)CCPP以燃高爐煤氣為主，有的企業(yè)摻入少量焦爐煤氣，用于發(fā)電的煤氣熱值3000～3800kJ/m3，只是天然氣的1/10～1/6。凈化后的高爐煤氣經(jīng)煤氣壓縮機壓縮與被壓縮過的空氣（1.5～2.2MPa）在壓力燃燒室內(nèi)燃燒，高溫高壓煙氣直接在燃氣透平內(nèi)膨脹做功并帶動空氣壓縮機與發(fā)電機完成燃機的單循環(huán)發(fā)電；燃氣透平排出的煙氣（溫度一般在500℃以上）通過余熱鍋爐生產(chǎn)中壓蒸汽，進入蒸汽輪機發(fā)電，溫度120℃左右的尾氣通過煙囪排放，蒸汽輪機發(fā)電是燃機發(fā)電的補充，并完成聯(lián)合循環(huán)。CCPP的鍋爐和汽機都可以外供蒸汽，聯(lián)合循環(huán)可以靈活組成熱電聯(lián)產(chǎn)工廠。

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置的主要設(shè)備有燃氣輪機（包括空氣壓縮機、燃燒室和燃氣膨脹透平）、余熱鍋爐、蒸汽輪機等。對于高爐煤氣燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，由于高爐煤氣熱值低、容積流量大，煤氣增壓機消耗功率較大，因而也是聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一。

三、主要特點

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)作為一種先進高效的動力裝置，具有以下特點：

（1）具有提高供電效率的最大潛在能力。目前，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)凈效率達到60%以上，熱效率遠遠超過現(xiàn)有燃煤蒸汽輪機電廠。

（2）建設(shè)費用低。配置燃氣輪機按燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，不但可以提高電廠電力，還可以降低建設(shè)費用，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電建設(shè)成本比燃煤電廠下降約10%。

（3）耗水量比較少。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠不需要大量冷卻水，可減少冷卻水的供應，一般只有常規(guī)電站耗水量的50%～70%，這對于干旱缺水地區(qū)建電廠尤為重要。

（4）對環(huán)境污染極小。在各種型式的發(fā)電裝置中，聯(lián)合循環(huán)電廠的另一個主要優(yōu)點是能適應環(huán)保要求，被稱為“清潔電廠”。它一般采用氣體燃料，燃燒產(chǎn)物無灰渣排放；燃燒效率高，燃燒產(chǎn)物CO2少。NOx排放量也下降約10%。

（5）調(diào)峰性能好，操作便捷。燃機從啟動到帶滿負荷運行，一般不到20min，快速啟動時，時間更短，因而聯(lián)合循環(huán)電廠是城市備用或調(diào)峰機組的最佳選擇。

四、經(jīng)濟性評價

根據(jù)熱力學原理，熱源溫度越高，冷源溫度越低，則循環(huán)效率越高。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的熱源溫度高達1100～1300℃，遠遠高于一般蒸汽循環(huán)采用的主蒸汽溫度（540～566℃），其冷源溫度（凝汽器溫度）29～32℃遠遠低于一般燃氣單循環(huán)的排氣溫度（450～640℃），也就是燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)從高溫熱源吸熱，向低溫的冷源放熱，因此聯(lián)合循環(huán)的熱效率比組成它的任何一個循環(huán)的熱效率要高。這樣，增加了機組的總輸出功率，使整個循環(huán)的熱效率提高。

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)按照熱量梯級利用的原則，將燃氣輪機與蒸汽輪機結(jié)合起來，同時利用了高品質(zhì)和低品質(zhì)的熱量，實現(xiàn)了按質(zhì)用能、梯級利用，從而獲得較高的循環(huán)效率。

五、應用

2006年7月，國內(nèi)第一臺30萬kW的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組（CCPP）在鞍鋼正式投入運行，該機組是目前世界功率最大、最先進的燃燒低熱值高爐煤氣的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，該機組以高爐產(chǎn)生的副產(chǎn)品——高爐煤氣為主要燃料，輔以少量焦爐煤氣，在燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組中發(fā)電，每小時可燃燒高爐煤氣46萬立方米、焦爐煤氣4萬立方米，于是，往日放散的高爐煤氣被頃刻間消耗，取而代之的則是源源不斷地釋放的清潔的電能。通過該發(fā)電機組，鞍鋼用電自給率大幅提高，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

聯(lián)合循環(huán)機組的裝機容量為30萬kW，其中燃氣輪機功率為18.3萬kW，燃氣溫度達到1300℃，壓力1.52 MPa，燃氣輪機排煙溫度557℃，壓力2.73 kPa；汽輪機功率為11.7萬kW，余熱鍋爐蒸汽生產(chǎn)能力340t/h。聯(lián)合循環(huán)效率達到51%，滿負荷運行時，發(fā)電煤耗僅為253gce/kWh，屬于世界領(lǐng)先水平。

六、結(jié)論

目前國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)尚未做到煤氣零放散，CCPP技術(shù)可以實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，靈活平衡蒸汽、煤氣、電之間的關(guān)系，做到能源利用的最優(yōu)化，在各大鋼鐵公司對現(xiàn)有能源優(yōu)化利用中，應優(yōu)先考慮采用以CCPP技術(shù)為主的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

隨著低熱值燃氣輪機運行經(jīng)驗的不斷豐富，燃料條件和燃機性能的不斷改善，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)與裝置在鋼鐵企業(yè)必將得到越來越廣泛的應用，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。